[发明专利]半导体激光列阵及其制备方法

说明书

本发明提供一种半导体激光列阵及其制备方法，其中的半导体激光列阵包括外延结构，在外延结构上制备有激光器波导结构，激光器波导结构包括沿外延结构的宽度方向从激光器波导结构的反射面至出射面刻蚀而成的变周期高阶光栅阵列和脊形增益波导阵列，变周期高阶光栅阵列的周期由中心向两侧逐渐增大，使得半导体激光列阵的输出激光的光谱未超出碱金属元素的吸收光谱范围；脊形增益波导阵列用于增益放大半导体激光列阵的输出激光的功率。本发明提供的半导体激光列阵能够保证输出激光的光谱线宽小于0.5nm，未超出碱金属元素的吸收光谱范围，且激光光谱的中心波长与碱金属元素的吸收光谱峰值基本重合，有效提高泵浦激光列阵与碱金属元素的光‑光耦合效率。

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光列阵及其制备方法。

背景技术

半导体激光列阵是利用半导体中的光子跃迁引起光子受激发射而产生激光的器件，具有输出功率高、电光转换效率高、光束质量好、激光线宽窄等优势，在固体激光器、光纤激光器、碱金属激光器等高功率激光器的泵浦领域具有广泛的应用前景。其中，碱金属蒸汽激光器是一种以碱金属元素钾、铷和铯的蒸汽为增益介质的光泵浦气体激光器，而铷、铯等碱金属原子蒸汽的吸收谱线很窄(加入2.0265×106Pa氦气后谱宽为0.5nm)，且吸收谱峰值主要分布在760nm～894nm波段的近红外区，为提高光～光转换效率，就对作为泵浦源的半导体激光器的输出功率和激光线宽提出较高的要求。

现有的半导体激光列阵主要可包括宽条形波导激光列阵、锥形波导激光列阵、单模波导列阵等高功率器件。尽管半导体激光列阵在提高输出功率、优化光束质量方面取得了很大的进步，但是各类型的列阵器件在大电流注入(15～20倍阈值电流)情况下仍存在各种问题：

宽条形波导激光列阵通常由19个条宽为100μm～200μm的激光单元组成，各激光单元的中心间距为500μm，其在大电流注入下，由于宽条形波导对高阶模式没有限制和选择的作用，会出现基横模和高阶横向模式同时振荡的情况，虽然这种情况有利于激光线阵输出功率的提升，但是多横模工作导致器件的光束质量变差，同时由于宽条形波导激光列阵只关注功率的提升，而不重视激光线宽的改善，通常其激光线宽为3nm～5nm。

锥形波导激光线阵的各激光单元的中心间距同样为500μm，激光单元的脊形波导部分宽度通常为2～6μm，锥形波导的锥角通常为4°～6°，其在较低电流注入下可以保持很好的单横模工作，但是在大电流注入情况下仍然会出现锥形区出现高阶横模，进而形成光丝，导致器件的光束质量性能降低。同时由于锥形激光列阵通常采用同一周期光栅，在大电流注入下，其激光线宽会展宽到1nm左右。

单模波导列阵的激光单元采用条宽为3μm～6μm的脊形波导结构，各激光单元的间隔通常为30μm～100μm，可以有效滤除高阶横模，在高功率输出情况下，仍能保持单横模工作，但是由于没有引入纵模选择结构，其激光线宽仍会达到2～3nm，无法满足碱金属激光器的泵浦需求。

综上，常规的半导体激光列阵，一般采用增大载流子注入区在总体面积的比例，提高器件的占空比来获得更高的输出功率，同时采用脊形波导或者锥形波导结构来提高器件的光束质量，但是以上器件都没有考虑到在大电流注入情况下，列阵器件各激光单元的内部温度不同，呈现中间高两侧低的现象，通常温差能达到10℃～20℃，进而引起激光列阵的输出激光线宽急剧展宽至1nm～5nm，大幅超出碱金属元素的吸收谱范围，导致泵浦过程中光～光转换效率下降，不适合作为高性能碱金属激光的泵浦源。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种半导体激光列阵及其制备方法，通过采用基于变周期的高阶光栅作为列阵光波的波长选择元件，以解决现有激光列阵在大电流注入情况下各激光单元中心波长红移速度不同引起的激光光谱展宽问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：